记北京市建筑工程研究院多项技术攻克奥运建设难题

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他们打响“科技奥运”攻坚之战 ——记北京市建筑工程研究院多项技术攻克奥运建设难题
□盖 爽 　　

随着2008年奥运会的临近，雄伟壮观的“鸟巢”和晶莹剔透的“水立方”等一系列奥运场馆褪去神秘的施工面纱，成为京华大地上一道道亮丽的风景线。在这些标志性建筑的背后，北京市建筑工程研究院——这个只有200多人的科研单位，在工程建设中发挥了举足轻重的作用。该院先后参与以“鸟巢”、“水立方”和国家体育馆三大奥运主场馆等为代表的20个奥运场馆建设，共有大跨度预应力钢结构、超高斜柱模板施工及支撑等17项技术成功应用，有5项技术破解工程建设中的关键性难题，其中两项创世界之最。从2004年至今，在奥运工程建设中，该院共有“体外预应力双弦结构设计方法和试验研究”等3项成果获得部市级科技进步奖，“将有粘结预应力张拉端转换为无粘结预应力张拉端”等5项成果获得国家发明和实用新型专利，还有10余项技术获得北京建工集团科技进步奖。 为“鸟巢”双向斜柱“量体裁衣” 　　奥运会主会场——国家体育场(鸟巢)，由24榀门式桁架围绕着体育场内部碗状看台区旋转而成，设计新颖独特，是当今国际上极富特色的巨型建筑。该工程共有斜柱1300余根，倾斜角度达90余种，双斜柱扭转角度达30多种，变化之大、种类之多在国内十分罕见。要为这些形态各异的斜柱量身打造合乎规格的模板不是一件容易的事情。 　　由于工程需使用高流态混凝土一次浇筑完成，要求模板必须承受高达近110公斤/平方米的混凝土侧压力，相当于常规模板需承受压力的两倍。与此同时，该工程对现浇混凝土的成型表面要求很高，要求达到斜柱整体清水混凝土标准，给模板的施工安装带来很大难度。模板工程的复杂性也对随之而来的支架体系的可行性、安全性及经济性带来很大的挑战。 　　对此，建研院在充分集成已有的成熟工程经验的基础上，根据新工程的特点进行技术革新，完成了板式钢木组合模板的设计与计算：在保证模板强度、刚度的前提下，在模板的连接上设计了专用钢木组合柱模锁具，在相交的模板上实现高精度垂直连接，有效加强了柱模的成型精度和整体性。该斜柱模板支撑体系突破传统单侧顶撑的支撑方式，利用重心偏移平衡方法设计出结构简单、传力清晰明确、适应性强的单杆式斜柱支架，使支架以较省的材料达到较好的受力状态。该技术方案所涉及的板式钢木体系柱模、梁模与斜柱支架体系均为该院独自开发并拥有完全知识产权的技术。 凭借自主创新，预应力钢结构技术创出世界之最 　　在兴建众多奥运场馆之前，大跨度预应力钢结构技术在我国应用寥寥无几，而国家体育馆却是世界上跨度最大的双向张弦结构，它和世界上跨度最大的弦支穹顶结构——奥运羽毛球馆等几个超世界难度的工程，设计施工艰辛程度非比寻常。参与7个奥运场馆预应力分项施工的秦杰博士感慨地说：“这就是7次人生的历练啊！” 应用弦支穹顶结构形式最为成熟的日本，所完成工程的最大跨度也不超过50米，而奥运羽毛球馆一下子把最大跨度提高到直径93米。尽管有充分的思想准备，在实际施工过程中还是遇到许多意想不到的困难。其中最严峻的挑战是撑杆下节点损失力的问题。在预应力张拉过程中，监测结果显示环向拉索索力不匀，经分析是撑杆下节点损失力太大造成的。当时施工已进入腊月，工人着急回家过年。整个羽毛球馆工期和质量的焦点都集中在预应力分项工程上，建研院工程师们承担了前所未有的压力。 　　为争取时间，秦杰博士和工程师们吃住在工地，连续奋战。他们结合研究制定的超张拉、放张等多项新技术措施，一边进行结构计算模型调整，一边指挥技术工人进行现场调试、监测。在大家的共同努力下，终于提前完成修改模型后的计算分析和调试监测，攻克工程难题，在春节前夕完成了预应力施工，为工程施工如期完成赢得了时间。 　　36米高架“擎起”世界首例空中滑行索网 　　0829工程是2008年奥运会开闭幕式表演训练场地，采用介于缆车索和滑索之间的空中滑行索网结构，18根呈辐射状排列的预应力拉索，一端交汇于高36米、重5吨空中大型钢索连接件，另一端通过场地周围的钢结构柱顶发生转折，锚固于柱外侧地面。整个场地平面呈椭圆形，长轴长184.8米，短轴长126.5米，面积虽大形态却轻盈美观。索网一方面是结构的一部分，另一方面也是空中滑行的轨道，可供100多人同时滑行，形式属世界首例，设计施工没有经验可借鉴。 　　项目负责人刘航博士介绍，整个工程的施工难点在于，如何将5吨的庞然大物——钢索连接件提升到36米的高空，同时保证18根拉索侧向牵引同步均匀。如果采取常规的起重机抬吊方案，36米的高度意味要同时使用两台巨型起重机，无法保证吊装后拉索的均匀牵引，安全隐患较大，而且造价将大幅提高。对此，建研院工程师提出了搭设高层脚手架的办法，脚手架采用圆盘式体系，一根立柱就能承载8吨的重量，结构轻盈且具有很好的稳定性。在连接器和钢索都被提到高架顶部时，可为钢索侧向牵引提供一个稳定的操作平台。为保证索安装施工中的安全性，工程师还通过有限元仿真技术分析索安装各工况下索力的变化情况，进行大量计算。同时在拉索端部安装拉力传感器，现场测定拉索的实际内力，保证了结构平衡稳定。